基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)分析傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

楊杰　高秀敏　張宇　李楠　郁敏　南學(xué)芳

摘要：

基于分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)特性，采用無線射頻傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建、面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)語言（JAVA）、安卓技術(shù)、光的散射原理以及光譜水質(zhì)檢測技術(shù)，開發(fā)了面向水環(huán)境的自動檢測、分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對環(huán)境水濁度的檢測。利用無線分組服務(wù)數(shù)據(jù)通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸檢測數(shù)據(jù)，并將檢測軟件嵌入到手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)手機(jī)隨時檢測水濁度，全面提升了系統(tǒng)的自動化水平；利用功放技術(shù)，使射頻范圍擴(kuò)大至2 000 m，且實(shí)測丟包率小于0.5%；利用射頻傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)2 000 m半徑范圍共用一個GPRS網(wǎng)關(guān)連接互聯(lián)網(wǎng)，一個組網(wǎng)下掛探頭最多可達(dá)255個，成本減少40%，同時讀取255個探頭的實(shí)測網(wǎng)絡(luò)耗時不超過5 s。通過系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程管理和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高速率通訊。

關(guān)鍵詞：

GPRS； 無線傳感； 散射； 濁度； 光譜

中圖分類號： TP 11文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.009

Abstract：

Based on the features of GPRS adopting the wireless radio frequency sensor networks and the language of the objectoriented software（JAVA），android，the principle of light scatting and the technology of using spectrum to detect the water quality，a system is developed for water environment measurement，which can realize automatic detection and analysis.The most important function is the detection of water turbidity.Adopting GPRS to transmit remote detection data and embedding the detection software in the phone to detect the water turbidity whenever and wherever we are.This technology promotes the level of automation of the system comprehensively.The technology of power amplification is to expand the radio frequency range to 2000 meters and the measured packet loss rate is less than 0.5%.Radio frequency sensor network achieves sharing a GPRS gateway to connect Internet in the range of 2 000 meters radius.A network contains 255 probes.The cost is cut to 60% and the measured network time consumption is less than 5 seconds when 255 probes are read at the same time.By the design of hardware and software，the simulation results show that the system can realize reliable remote control and high rate wireless sensor network communication.

Keywords：

GPRS； wireless sensor； scatting； turbidity； spectral

引言

近年來隨著工業(yè)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們生活水平的提高，水環(huán)境的污染也成為一個日益嚴(yán)重的問題。工業(yè)廢水、生活污水的排放如果得不到有效的治理將會嚴(yán)重影響人們的生活，而很多場景都不適合長期近距離監(jiān)測，如污染嚴(yán)重的化工廠附近水域，面積巨大的江河湖泊，水產(chǎn)養(yǎng)殖公司的養(yǎng)殖水域等，所以本系統(tǒng)將利用先進(jìn)的光散射原理及光譜水質(zhì)檢測技術(shù)對水濁度進(jìn)行低成本的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，以便進(jìn)行有效的治理。

GPRS水質(zhì)分析傳感系統(tǒng)是采用遠(yuǎn)程通信[1]和計(jì)算機(jī)控制等手段自動進(jìn)行水濁度的實(shí)時采集與傳輸處理系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)傳輸方式來看，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過無線分組業(yè)務(wù)[2]來傳輸。因?yàn)镚PRS具有速度快，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，擴(kuò)展容易，維護(hù)簡單，使用費(fèi)用低，性價比極高等優(yōu)點(diǎn)；射頻網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)方便，成本低，功耗低，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本文主要研究基于射頻組網(wǎng)技術(shù)的GPRS水質(zhì)分析傳感網(wǎng)絡(luò)[3]的搭建與實(shí)現(xiàn)，以及基于光柵微型光譜儀[4]的水質(zhì)分析方法。整個系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對環(huán)境水濁度的檢測與數(shù)據(jù)采集傳輸處理[5]。

1系統(tǒng)原理與組網(wǎng)

本系統(tǒng)主要由一個濁度分析探頭，GPRS系統(tǒng)，以及PC機(jī)或者安卓手機(jī)[6]構(gòu)成。首先，將濁度分析探頭放入水中，用戶通過GPRS發(fā)出檢測指令，探頭開始工作，探頭上的LED發(fā)光照射到水中顆粒物上，利用測量穿過待測水樣的入射光束被待測水樣中的懸浮顆粒色散所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度來獲取數(shù)據(jù)，探頭將獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給用戶，然后經(jīng)過一定的算法即可得到我們所需要的濁度信息，從而實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的無線監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

無線分組業(yè)務(wù)廣泛應(yīng)用于水質(zhì)分析，基于GPRS的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過遙測終端[7]將現(xiàn)場傳感器采集到的數(shù)據(jù)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[8]，該組網(wǎng)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、集中器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[9]、監(jiān)控中心4部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由水質(zhì)探頭和射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，將探頭獲取到的數(shù)據(jù)通過射頻節(jié)點(diǎn)傳出；集中器主要包括GPRS模塊和射頻接收模塊，負(fù)責(zé)接收來自每個探頭的數(shù)據(jù)然后通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳給服務(wù)器，監(jiān)控中心通過訪問服務(wù)器便可得到監(jiān)控數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2所示。

水質(zhì)探頭由光譜傳感器與采集器構(gòu)成，光譜傳感器將水文監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖，采集器采集脈沖，數(shù)據(jù)采集后，在與服務(wù)中心通信前存儲在終端子系統(tǒng)中。采集器通過RS232串口連接的射頻模塊nRF24L01P與集中器內(nèi)置的射頻模塊相互通訊。集中器是數(shù)據(jù)傳輸裝置[10]，即GPRS DTU通信模塊和射頻傳輸模塊。它是水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心管理和控制設(shè)備，負(fù)責(zé)定時讀取采集器數(shù)據(jù)[11]、系統(tǒng)的命令傳送、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。GPRS DTU基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)平臺、內(nèi)嵌TCP/UDP（傳輸控制協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）及功能強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)，提供RS232串行接口，可以直接與電力線通信（PLC）系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端控制（RTU）系統(tǒng) 、饋線自動化終端設(shè)備（FTU）和配電變壓器采集終端（TTU）等采集設(shè)備透明連接[12]，實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸功能[13]。GPRS模塊內(nèi)含有一個用戶識別卡（SIM） 模塊，SIM 卡號是GPRS模塊的唯一標(biāo)識。射頻模塊nRF24L01P接收一個局域網(wǎng)探頭所采集到的數(shù)據(jù)，傳輸距離達(dá)2 000 m，完全可滿足某個工廠的需要，射頻模塊收集到的數(shù)據(jù)通過GPRS傳到服務(wù)器。

2探頭工作原理

本探頭利用散射原理獲取濁度信息，即利用測量穿過待測水樣的入射光束被待測水樣中的懸浮顆粒色散所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。90°方向的散射光，不受顆粒尺寸的影響，因此濁度儀測量時采用90°散射光檢測。當(dāng)入射光強(qiáng)度相同時，顆粒物濃度越高，它所引起的光散射與吸收將會成倍增加。為消除顆粒物濃度較高對測量結(jié)果的影響，可在探頭光路中增設(shè)前向或者后向散射光檢測器。

2.1水質(zhì)分析探頭的組成

水質(zhì)分析探頭采用帶有參考光路的可見紫外光譜分析構(gòu)架，光譜探頭如圖3所示。由于采用了雙光路雙光譜儀同步采樣的方案，完全克服了光源的不穩(wěn)定性，而且無需任何運(yùn)動部件。

2.2探頭的關(guān)鍵技術(shù)

水質(zhì)檢測探頭利用了很多光檢測相關(guān)技術(shù)，有水質(zhì)光譜分析技術(shù)、基于矢量物理光學(xué)干涉理論的光柵優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于像差優(yōu)化光束光刻方法的光柵加工工藝、基于光柵微型光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)、多參數(shù)水質(zhì)分析光譜信號處理技術(shù)等。利用這些技術(shù)能夠準(zhǔn)確地采集到水質(zhì)參數(shù)。

3.1濁度數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸方式為半雙工通信方式。通信鏈路的建立與解除均由信息幀來控制。每幀由幀起始符、地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗(yàn)碼及幀結(jié)束符7個部分組成。

3.2利用射頻模塊完成組網(wǎng)

由于每個GPRS模塊只能連接一個水質(zhì)探頭，為了節(jié)約成本，所以本設(shè)計(jì)利用射頻模塊進(jìn)行組網(wǎng)，探頭的串口接在射頻模塊MCU串口上，采集點(diǎn)將探頭的數(shù)據(jù)通過該射頻模塊無線發(fā)送給集中器的射頻模塊，這樣就完成了對所有采集點(diǎn)探頭的組網(wǎng)。后續(xù)集中器會將射頻模塊接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議打包傳輸給服務(wù)器。本設(shè)計(jì)使用的是nRF24L01P射頻模塊，傳輸距離可達(dá)2 000 m，滿足實(shí)際組網(wǎng)需求。2 000 m半徑內(nèi)實(shí)測丟包率不超過0.5%，如表1所示。

3.3集中器和服務(wù)器建立連接的過程

集中器上電后，因?yàn)閮?nèi)置的GPRS模塊插有SIM卡，可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)，然后集中器根據(jù)內(nèi)置的服務(wù)器IP地址和端口號向遠(yuǎn)程的服務(wù)器建立Socket網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)送接入請求數(shù)據(jù)包，服務(wù)器接收到請求包后，按照協(xié)議解析判斷是否為允許接入設(shè)備，合法則反饋請求成功數(shù)據(jù)包給集中器，連接建立成功，進(jìn)行正常數(shù)據(jù)收發(fā)，否則斷開網(wǎng)絡(luò)連接。如果監(jiān)控中心在一定時間內(nèi)（時間可以由工作人員設(shè)定）不向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，那么集中器就會自動斷開與服務(wù)器的連接。

3.4監(jiān)控中心和服務(wù)器建立連接的過程

監(jiān)控中心是客戶監(jiān)管采集點(diǎn)探頭數(shù)據(jù)的地方。監(jiān)控中心首先與服務(wù)器建立Socket網(wǎng)絡(luò)連接，輸入賬號、密碼，根據(jù)協(xié)議打包發(fā)送給服務(wù)器鑒權(quán)，請求接入，服務(wù)器比對賬號成功則向監(jiān)控中心反饋鑒權(quán)成功命令，同時根據(jù)數(shù)據(jù)庫賬號匹配集中器MAC地址，確定該監(jiān)控中心所對應(yīng)的集中器，連接建立成功，進(jìn)行正常數(shù)據(jù)收發(fā)，否則斷開網(wǎng)絡(luò)連接。

3.5監(jiān)控中心向采集點(diǎn)發(fā)送命令的過程

在監(jiān)控中心和監(jiān)控中心對應(yīng)的集中器均與服務(wù)器連接正常后，監(jiān)控中心將要發(fā)送的命令根據(jù)協(xié)議打包后發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器匹配集中器的MAC地址，找到該集中器與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，然后將監(jiān)控中心的命令幀通過該網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)發(fā)至采集點(diǎn)所在集中器，集中器接收到命令幀后，解析命令幀，獲取到采集點(diǎn)的射頻節(jié)點(diǎn)地址，然后將監(jiān)控中心的命令發(fā)往該采集點(diǎn)，控制探頭做出動作。

3.6采集點(diǎn)向監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)的過程

采集點(diǎn)在探頭采集到水濁度信號后，通過組網(wǎng)射頻模塊將打包好的數(shù)據(jù)幀發(fā)往集中器，集中器的射頻接收到數(shù)據(jù)幀后，通過串口傳輸給GPRS模塊，該模塊通過網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)幀發(fā)往服務(wù)器，服務(wù)器接收到該數(shù)據(jù)幀后，匹配該集中器MAC地址所屬監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)連接，通過該網(wǎng)絡(luò)連接將數(shù)據(jù)幀發(fā)往對應(yīng)的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)幀協(xié)議解析，得到水濁度信息，通過PC端或手機(jī)端軟件直觀地顯示出來。監(jiān)控中心向采集點(diǎn)探頭讀取水質(zhì)濁度信息，當(dāng)掛探頭數(shù)量達(dá)到最大值255個的情況下，實(shí)測從發(fā)送命令至接收到所有探頭水質(zhì)濁度信息總共耗時時間不超過5 s，如表2所示。

4應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心應(yīng)用軟件安裝在PC上，PC接收數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令是通過應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)主要是指利用計(jì)算機(jī)高級語言（JAVA）開發(fā)工作站上的數(shù)據(jù)接收和處理軟件。對于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸方式的軟件開發(fā)，采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式（簡稱C/S） ，然后進(jìn)一步將此軟件嵌入到手機(jī)上，只要能連網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)隨時隨地檢測濁度。該軟件主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)并將每一時刻的數(shù)據(jù)繪制成曲線，以便用戶進(jìn)行觀察比較。數(shù)據(jù)包括濁度與溫度，軟件界面圖如圖4所示。

5結(jié)論

水質(zhì)監(jiān)測與人的生活密切相關(guān)，水的濁度監(jiān)測又顯得尤為重要，如果水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)得不到實(shí)時的采集與獲取將給人的生活與國家建設(shè)帶來極大的危害。本文提出的GPRS水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，無論是在可靠性，價格還是可實(shí)施性方面都極具優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)來監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且可以利用手機(jī)來實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，這樣工作效率更高更智能化。本文利用射頻進(jìn)行組網(wǎng)，節(jié)約成本，并且可以同時監(jiān)測多個廠區(qū)的多個探頭；提出并研發(fā)基于光柵微型光譜儀的水質(zhì)分析方法，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)分析過程中單個探頭的多參數(shù)檢測，以及在紫外可見光頻段連續(xù)光譜分析，解決了用不同檢測方法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)水質(zhì)在線檢測的技術(shù)難題，具有微小型、低功耗、高性能的特性；在PC監(jiān)測的基礎(chǔ)上，將軟件集成在手機(jī)端，利用手機(jī)實(shí)時監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)，方便且高效。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)雪萍，成立，韓慶福，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（2）：115116，22.

[2]蔣鵬.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的濕地水環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（1）：183186.

[3]余向陽.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（8）：812.

[4]許夢澤，郭陽寬，祝連慶，等.光柵單色儀中光譜重建的影響因素分析[J].光學(xué)儀器，2014，36（2）：112115.

[5]李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（1）：115.

[6]李宗恒，李儉偉.主要智能手機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].移動通信，2010（3/4）：115118.

[7]李規(guī)，鐘新躍.基于C/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（11）：26232625.

[8]席飛，余震虹，丁偉，等.用GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（14）：41674170，4174.

[9]項(xiàng)光宏，聞路紅，王靜，等.水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用[J].控制工程，2010，17（S1）：111113.

[10]趙昱，趙德安，趙建波.基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（7）：8486.

[11]BHENDE M，WAGH S J，UTPAT A.A quick survey on wireless sensor networks[C]//2014 Fourth International Conference on Communication Systems and Network Technologies.Bhopal，IEEE：2014：160167.

[12]WIGHTMAN P M，LABRADOR M A.A3：A topology construction algorithm for wireless sensor networks[C]//IEEE Global Telecommunications Conference，New Orleans，LO：IEEE，2008：16.

[13]CALLAWAY E，GORDAY P，HESTER L，et al.Home networking with IEEE 802.15.4：A developing standard for lowrate wireless personal area networks[J].IEEE Communications Magazine，2002，40（8）：7077.

（編輯：張磊）